Nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn của nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình – Yên Bái

CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Tel : (04) 8681686 Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ SƠN HÀ NỘI 05/2006 MỞ ĐẦU Cây sắn, là một trong các loài cây có củ, trồng được ở hơn 80 quốc gia có khí hậu nhiệt đới ẩm trên Thế Giới. Đây là một loài cây thực phẩm năng lượng cao, dễ trồng. Đối với nhiều vùng dân cư ở miền nhiệt đới, sắn là sản phẩm chủ đạo bậc nhất nhì. Sản lượng sắn hàng năm trên thế giới khoảng 175 triệu tấn với diện tích canh tác 14,15 triệu ha và phân bố trên 80 quốc gia. Ở các nước nhiệt đới, hầu hết sắn sản xuất ra được sử dụng làm thức ăn cho người, phần còn lại làm thức ăn cho gia súc và sử dụng trong công nghiệp tinh bột… Có thể nói sắn là cây công nghiệp có giá trị kinh tế cao trong các cây có củ. Trong những năm gần đây, ở Việt Nam cây sắn đang nhanh chóng chuyển đổi vai trò từ cây lương thực truyền thống sang cây công nghiệp với lợi thế cạnh trang cao. Sự hội nhập kinh tế đang mở ra thị trường sắn, hàng loạt các nhà chế biến tinh bột sắn và các cơ sở chế biến sắn thủ công được xây dựng, đã đưa Việt Nam trở thành nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng hàng thứ hai ở châu Á sau Thái Lan. Năm 2005 diện tích trồng sắn của cả nước là 423,8 nghìn ha, năng suất bình quân 15,68 tấn/ha và sản lượng sắn củ tươi khoảng 6,65 triệu tấn. Trong đó có khoảng 20 ÷ 25% được chế biến thành tinh bột, sử dụng trong công nghiệp để sản xuất cồn, đường glucose, bánh kẹo, mì chính…, 10 ÷ 20% dùng làm lương thực, 32% làm thức ăn gia súc và 20% cho các nhu cầu khác.[1] Công nghệ sản xuất tinh bột từ sắn củ có nhu cầu nước cao khoảng 20 ÷ 40 m3/tấnSP, nên cũng thải ra lượng lớn nước thải gây ô nhiễm môi trường. Hầu hết nước thải được xả thẳng vào môi trường không qua xử lý đã gây ô nhiễm nghiêm trọng các nguồn tiếp nhận. Vì vậy đề tài nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột sắn, nhằm giải quyết vấn đề môi trường là một yêu cầu thực sự cấp thiết. Hơn thế nữa công nghệ xử lý yếm khí còn thu được khí sinh học (biogas), một nguồn năng lượng tại chỗ phong phú, phục vụ cho quá trình công nghệ. Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình – Yên Bái có công suất 160 tấn SP/ngày. Nước thải phát sinh chủ yếu ở hai công đoạn: Rửa củ và tách bột. Tổng lưu lượng nước thải cần xử lý là 3200 m3/ngày, với COD = 9.936 ÷ 13.147 mg/l, BOD5 = 5000 ÷ 7500 mg/l, tương ứng với tổng tải lượng ô nhiễm là 31759 ÷ 42390 kgCOD/ngày; 16000 ÷ 24000 kgBOD5/ngày. Nhà máy đã đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nhưng do công nghệ không phù hợp nên không hiệu quả. Do đó đề tài “ Nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý yếm khí nước thải sản xuất tinh bột sắn thu biogas của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình – Yên Bái”, được thực hiện nhằm góp phần hoàn thiện công nghệ và thiết bị, đảm bảo nước thải được xử lý có hiệu quả, Đề tài được thực hiện với các nội dung sau: - Công nghệ sản xuất tinh bột sắn và các vần đề môi trường - Hiện trạng xử lý nước thải tại Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình - Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn bằng thiết bị UASB - Tính toán thiết kế và hoàn thiện hệ thống xử lý. I. Công nghệ sản xuất tinh bột sắn và các vấn đề môi trường 1. Công nghệ sản xuất tinh bột sắn Sắn là một trong số nguồn nguyên liệu giàu tinh bột. Củ sắn chứa đến 30% tinh bột và có rất ít protein, cacbohydrate hoà tan và các chất béo. Do đó việc tách tinh bột sắn là một quy trình đơn giản, dễ làm và phức tạp như sản xuất tinh bột từ ngô, tinh bột mì hoặc các tinh bột ngũ cốc khác. Qui trình này có thể được áp dụng ở các hộ gia đình, cũng như ở qui mô sản xuất lớn hoặc nhỏ. Công nghiệp sản xuất tinh bột sắn đủ quan trọng để thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu cũng như các nhà xuất khẩu ở các nước dang phát triển, khi ta thấy thực tế cho thấy khoảng 85% lượng tinh bột xuất khẩu của các quốc gia này là tinh bột sắn. Tuy thị phần tinh bột sắn trong thị phần tinh bột thế giới chỉ chiếm khoảng 8%.[2] 1.1 Một số loại hình công nghệ sản xuất tinh bột sắn Củ sắn tươi là sản phẩm có thể bảo quản tươi. Tuy nhiên, trong bảo quản hàm lượng tinh bột của sắn bị giảm nhẹ, đặc biệt là sau thu hoạch một số enzym hoạt động mạnh như: Linamarase phân huỷ phezeolunatin thành gluco, axetan và axit xiandryc. Các enzym polyphenoloxydaza xúc tác quá trình oxy hoá polyphenol tạo octokinol và từ đó tạo các sản phẩm có màu sẫm (vết đen), hay gọi là sắn chảy nhựa. Vì vậy củ sắn phải được chế biến ngay trong vòng 24h kể từ sau khi thu hoạch. Quá trình sản xuất tinh bột sắn có thể được chia thành các công đoạn cơ bản như sau: - Bước 1: Rửa và bóc vỏ để loại bỏ đất dính vào củ và lớp biểu bì bảo vệ. - Bước 2: Nạo hoặc nghiền để phá vỡ cấu trúc tế bào, làm vỡ thành tế bào nhằm giải phóng tinh bột thành các hạt riêng biệt và không bị hư hại khỏi các thành phần không tan khác. - Bước 3: Sàng hoặc trích ly để phân tách phần bột nhão đã được nghiền nhỏ thành hai phần, phần xơ bỏ đi và phần sữa tinh bột. - Bước 4: Tinh sạch và loại bỏ nước để tách các hạt tinh bột rắn khỏi huyền phù của chúng trong nước nhờ lắng đọng hoặc ly tâm. - Bước 5: Sấy khô để loại bỏ ẩm từ bánh tinh bột ẩm thu được trong giai đoạn phân tách nhằm giảm độ ẩm từ 34 ÷ 35% xuống 12 ÷ 14% - Bước 6: Bột khô được sàng và đóng vào bao. Ở một số nước đang phát triển như Indonesia, Thái Lan, Ấn Độ, Việt Nam…, việc sản xuất tinh bột sắn được thực hiện dưới ba dạng sau: + Sản xuất quy mô nhỏ ở hộ gia đình + Sản xuất quy mô vừa bán cơ giới +Sản xuất công nghiệp a. Công nghệ sản xuất tinh bột sắn quy mô hộ gia đình Sản xuất tinh bột sắn quy mô hộ gia đình. Công việc được thực hiện hoàn toàn bằng các dụng cụ thủ công thô sơ. Mỗi hộ gia đình có thể sản xuất được 50 ÷ 60 kg tinh bột trong một ngày - Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh bột sắn bằng phương pháp thủ công truyền thống. Sắn củ tươi Rửa, bóc vỏ Nghiền thủ công Lọc tách bã Lắng tách bột Bẻ vụn, sấy khô Sản phẩm Nước Bã sắn Nước thải Nước Vỏ sắn Nước thải Hình I.1: Sơ đồ sản xuất tinh bột sắn bằng phương pháp thủ công truyền thống - Mô tả công nghệ Củ sắn được rửa bằng tay sau đó gọt vỏ bằng dao cầm tay. Tiếp theo chúng được nạo thủ công thành bột nhão trên một bàn nạo, bàn nạo này chỉ là một tấm thiếc hoặc sắt mềm được đục lỗ bằng đinh sao cho có các gờ sắc ở một bên. Sau đó bột nhão được cho vào một tấm vải buộc bốn góc và được rửa mạnh với nước bằng tay. Cuối cùng, xơ được vắt khô còn sữa tinh bột được thu hồi và để lắng. Khi các hạt tinh bột đã lắng, người ta gạn bỏ phần nước bên trên, phần tinh bột ẩm được bẻ vụn và phơi khô. Ở một số nơi, sữa tinh bột được vắt để loại bỏ nước qua một tấm vải dày hoặc được treo qua đêm để loại bỏ nước nhờ lực trọng trường, sau đó phơi khô phần tinh bột còn lại. Quy trình đơn giản này được sử dụng nhiều ở vùng nông thôn tại các nước trong khu vực nhiệt đới.(Sơ đồ hình I.1) b. Công nghệ sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ bằng các thiết bị bán cơ giới. Sản xuất tinh bột sắn ở các cơ sở sản xuất tại các làng nghề. Do công nghệ đã được cải tiến, thiết bị đã được cơ khí hoá ở một số công đoạn như rửa củ, bóc vỏ và mài. Vì vậy công suất đã cao hơn rõ rệt. Công suất có thể đạt từ 50 đến 60 tấn củ/ngày.cơ sở. - Sơ đồ quy trình công nghệ Lọc tách bã Lắng bột tách nước Xay nghiền Bóc vỏ, rửa sạch Vớt bột đen Sấy khô Rửa bột Nước Nước Nước Bã sắn Nước thải Nước thải Bột đen Nước thải Sắn củ tươi Vỏ sắn Sản phẩm Hình I.2: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ bằng các thiết bị bán cơ giới - Thuyết minh quy trình công nghệ Quy trình công nghệ (hình I.2) được áp dụng ở các cơ sở sản xuất có quy mô nhỏ . Thiết bị đã được cơ khí hoá ở một số khâu. Hiện công nghệ này được áp dụng phổ biến ở các làng nghề sản xuất tinh bột tập trung như: Dương Liễu, Minh Khai, Hoài Đức - Hà Tây, Làng nghề tinh bột Bình Minh - Đồng Nai…Quy trình này gồm có các công đoạn sau: + Rửa - bóc vỏ: là công đoạn làm sạch nguyên liệu, đồng thời loại bỏ lớp vỏ Quá trình rửa nguyên liệu được thực hiện nhờ thiết bị rửa hình trống quay hoặc máy rửa có guồng. Máy rửa hình trống quay, gồm một buồng hình trụ mở, được bọc bằng mắt lưới thô, quay với tốc độ 10 ÷ 15 vòng/phút. Thiết bị làm việc gián đoạn theo mẻ, nguyên liệu được cho vào lồng. Khi lồng quay nước được tưới vào trong suốt quá trình nhờ bộ phận phân phối nước. Khi lồng quay các củ sắn chuyển động trong lồng va chạm vào nhau và va chạm vào thành lồng, do đó đất cát cà vỏ được tách ra. Sau khi bóc vỏ, củ sắn thường được ngâm trong máng nước để loại bỏ các chất hoà tan trong nguyên liệu như: độc tố, sắc tố, tanin,… + Nghiền: Sau khi ngâm, sắn được đưa vào thiết bị nghiền thành bột nhão, phá vỡ tế bào củ và giải phóng tinh bột. Bột nhão sau nghiền gồm tinh bột, xơ và các chất hoà tan như đường, chất khoáng, protein, enzym và các vitamin. + Lọc tách bã: là công đoạn quan trọng, phải sử dụng nhiều nước có thể lọc thủ công hoặc dùng máy lọc. - Lọc thủ công dùng lưới lọc, bột nhão được trộn đều trong nước, được chà và lọc trên khung lọc, dịch bột lọc chảy qua lưới lọc vào bể còn bã sắn ở trên được lọc lần 2 để tận thu tinh bột. - Máy lọc: là một thùng quay trong đó có đặt lưới lọc, làm việc gián đoạn theo mẻ. Nước và bột nhão được cấp vào thùng, khi thùng quay bột nhão được đảo đều trong nước nhờ cánh khuấy, sữa bột chảy xuống dưới qua khung lưới lọc trước khi vào bể lắng. Lưới lọc ngoài thùng quay giữ lại các hạt bột có kích thước lớn, phần bột này sẽ được đưa trở lại thiết bị lọc. còn phần xơ bã được xả ra ngoài qua cửa xả bã. + Lắng tách bột: Đây là công đoạn đầu tiên trong tinh chế bột. Tinh bột có đặc điểm dễ lắng và dễ tách, sau 8 ÷ 15h có thể lắng hoàn toàn. Khi bột đã lắng, từ từ tháo nước tránh gây sáo trộn tạp chất (bột đen) trên bề mặt lớp bột. Lớp bột đen sẽ được loại bỏ để đảm bảo chất lượng của bột thành phẩm + Làm khô bột: Bột đen được tách riêng, còn bột trắng được lấy ra đặt lên gạch phơi khô tự nhiên, sản phẩm thu được là tinh bột sắn thô. c. Quy trình chế biến tinh bột sắn quy mô công nghiệp Sản xuất tinh bột sắn ở các nhà máy có công suất lớn với công nghệ thiết bị hiện đại, hầu hết các công đoạn đã được tự động hoá. Nguồn nguyên liệu ổn định, công suất có thể đạt từ 50 ÷ 200 tấn sản phẩm /ngày. Cá biệt nhà máy sản xuất tinh bột của công ty VEDAN Đồng Nai có công suất lên tới 200 tấn sản phẩm/ngày, tương đương với 700 tấn sắn củ tươi/ngày. Hiện có hai công nghệ sản xuất tinh bột từ sắn được sử dụng ở nước ta đó là công nghệ của Trung Quốc và công nghệ của Thái Lan. Phần lớn các nhà máy sản xuất tinh bột ở phía Nam áp dụng quy trình công nghệ của Thái Lan. + Quy trình công nghệ sản xuất tinh bột sắn của Thái Lan Sơ đồ quy trình công nghệ Rửa, Tách tạp chất và bóc vỏ Băm nhỏ Làm nguội Nghiền mài nhỏ Trích ly, tách bã Sấy khô Sàng - Đóng bao Ly tâm tách nước Tinh lọc Ép nén Bã sắn H2SO3 Sắn củ tươi Sản phẩm Nước Nước thải Nước thải Nước Khí nóng Bã thải Nước thải Vỏ sắn Nước Hình I.3: Sơ đồ quy trình công nghệ chế biến tinh bột sắn kèm dòng thải Thuyết minh quy trình công nghệ Quy trình sản xuất tinh bột sắn công nghệ của Thái Lan (Hình I.3) gồm có các công đoạn sau: + Nạp nguyên liệu, bóc vỏ và rửa sạch: Sắn củ tươi được băng chuyền đưa vào thiết bị bóc vỏ và rửa. Thiết bị bóc vỏ có dạng trống quay, đường kính khoảng 40 ÷ 50 cm với các lưỡi dao kiểu răng cưa được bố trí xung quanh chu vi của trống. Các lưỡi dao có từ 8 ÷ 10 răng cưa và được cài đặt cách nhau từ 6 ÷ 10 mm. Tốc độ quay của trống khoảng 1000 vòng/phút. Trong thiết kế, nước với áp suất cao được xịt từ các đầu phun vào củ. Việc bóc vỏ được thực hiện cùng lúc trong máy rửa. Hoạt động kết hợp của các dòng nước áp suất cao, sự cọ xát của các củ sắn với nhau và vào vách trống giúp loại bỏ hầu hết lớp vỏ và rửa sạch trước khi đi vào công đoạn sau. + Nghiền mài củ sắn Sắn củ tươi được bóc vỏ và rửa sạch được băng chuyền đưa vào máy nghiền búa, dưới tác dụng của búa quay với tốc độ lớn khoảng 3000 vòng/phút, sắn được đập nhỏ, kết hợp với nước bơm vào tạo thành hỗn hợp bã - bột - nước. Hỗn hợp này được đưa đến bể chứa, để nâng cao hiệu quả thu hồi tinh bột, sắn càng được nghiền nhỏ càng tốt, vì vậy ở công đoạn nghiền được thực hiện hai lần liên tiếp. Đối với sắn lát khô (không cần đến công đoạn bóc vỏ, rửa), được đưa qua sàng tách tạp chất và sau đó đi vào máy nghiền hai lần. Hỗn hợp bã - bột - nước đưa vào bể ngâm trong khoảng 48h, rồi tiếp tục chế biến như sắn củ tươi. + Tách và tinh chế: Đây là công đoạn quan trọng nhất quyết định tỷ lệ thu hồi và chất lượng sản phẩm. Công đoạn này được tiến hành qua các giai đoạn sau: - Sàng tách tinh bột ra khỏi bã: Hỗn hợp bã - bột - nước từ bể chứa, được bơm hút với áp lực cao (3 ÷ 4 at) vào sàng cong áp lực tĩnh và máy ly tâm trục đứng, mặt sàng có dạng hình cong và có các khe hở kích thước nhỏ (0,05 ÷ 0,10 mm). Khi trượt trên mặt sàng, dưới tác dụng của lực ly tâm, tinh bột và nước được tách ra khỏi bã. Quá trình này được tiến hành liên tục qua nhiều máy nên sữa bột thu được khá thuần khiết. Hơn nữa, đây là sàng cong áp lực tĩnh, không có bộ phận chuyển động nên làm việc rất ổn định, hiệu suất tách tinh bột cao, bền, dễ thao tác trong sử dụng và bảo dưỡng. - Trích ly, chiết suất loại bỏ tạp chất Sữa bột lỏng thu được sau sàng cong áp lực tĩnh, chứa nhiều các chất hoà tan, xơ mịn và tạp chất vô cơ. Do vậy hỗn hợp này được bơm hút đưa vào thiết bị Cyclon để tách các tạp chất này, sau đó đưa vào máy ly tâm dạng đĩa, nhằm loại bỏ các bã nhỏ để thu được tinh bột đồng nhất. Để có tinh bột có chất lượng cao, công đoạn này cũng được thực hiện hai lần liên tiếp. Bã loại ra được hoà trộn với nước và đưa trở lại máy nghiền để làm nhỏ và quay trở lại thiết bị tách, chiết suất nhằm tận thu tinh bột. Sau khi qua tất cả các công đoạn này ta thu được 84 ÷ 86% lượng tinh bột có trong sắn nguyên liệu. Để có độ trắng theo yêu cầu thì hỗn hợp sữa bột phải qua thiết bị khử cát, bụi kết hợp tẩy bằng dung dịch H2SO3. - Ly tâm tách nước: Tinh bột được đưa qua thiết bị ly tâm tách nước trong dung dịch sữa bột để giúp công đoạn sấy khô nhanh hơn. Sau khi qua thiết bị ly tâm tách nước hỗn hợp bột có độ ẩm từ 36 ÷ 38%. Thông thường thiết bị này được điều khiển tự động để đảm bảo cho máy làm việc với hiệu suất tách nước cao nhất. - Sấy khô - Sàng - Đóng bao sản phẩm Tinh bột ẩm thu được sau ly tâm tách nước được vít tải chuyển đến thiết bị sấy nhanh, theo nguyên lý sấy phun bằng khí nóng, rồi chuyển đến Cyclon để tách hạt. Tinh bột ẩm vào khoang sấy có dạng ống thẳng đứng với tiết diện thay đổi, dưới tác dụng của dòng khí nóng với vận tốc 15 ÷ 20 m/s, ở nhiệt độ khoảng 1500C tới bộ lọc Cyclon, ở đó các hạt tinh bột đã sấy khô được tách khỏi dòng khí. Thời gian lưu trong thiết bị chỉ khoảng vài giây và tinh bột thu được từ hệ thống sấy khí động này có dạng bột mịn với độ ẩm cuối cùng từ 10 ÷ 13%. Qua thiết bị Cyclon tinh bột được chuyển đến hệ thống sàng phân loại. Bột đủ tiêu chuẩn sẽ được đóng bao, còn những hạt tinh bột có kích thước lớn sẽ được quay trở lại máy nghiền. + Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất tinh bột sắn của Trung Quốc Công nghệ của Trung Quốc có hai nguồn phát sinh nước thải đó là công đoạn rửa củ và tách bột. Trong khi công nghệ của Thái Lan chỉ có một dòng thải do nước tách bột được tái sử dụng cho quá trình rửa củ. Sơ đồ quy trình công nghệ Nghiền lần 2 Tẩy trắng Nghiền lần 1 Rửa sạch Trích ly, tách bã Sấy khô - Làm nguội Rây mịn - Đóng bao Ly tâm tách nước Ép nén Bã sắn SO2 Bã thải Tách tạp chất, bóc vỏ Tách tạp chất Sắn củ tươi Sắn lát khô Nước Nước thải Nước thải Sản phẩm Nước tuần hoàn Nước thải Vỏ sắn Nước Nước Hình I.4: Sơ đồ quy trình công nghệ chế biến tinh bột sắn của Trung Quốc b. Thuyết minh quy trình công nghệ Quy trình công nghệ của Trung Quốc khác với công nghệ của Thái Lan là ở công đoạn bóc vỏ. Sắn củ tươi được đưa lên băng chuyền, vào phễu nạp liệu có hệ thống sàng rung, nhằm loại bỏ đất cát, và các tạp chất khác. Sau đó củ được băng chuyền chuyển đến thiết bị bóc vỏ, bóc vỏ xong được đưa đến thiết bị rửa sạch. Từ hai sơ đồ công nghệ (Hình I.3 và I.4) ta thấy: Với công nghệ của Thái Lan thì bóc vỏ và rửa sạch cùng chung một công đoạn. Nước được cấp vào thiết bị bóc vỏ, tách tạp chất và được rửa sạch trước khi đi vào thiết bị nghiền. 1.2 Nhu cầu nguyên, nhiên liệu, năng lượng và vật tư trong sản xuất tinh bột sắn Trong qúa trình sản xuất tinh bột sắn, tùy theo quy mô sản xuất và công nghệ chế biến khác nhau sẽ có nhu cầu tiêu hao nguyên, nhiên liệu, năng lượng khác nhau. Ở quy mô sản xuất nhỏ bằng các thiết bị bán cơ giới như ở Làng nghề Dương Liễu, huyện Hoài Đức, tỉnh Hà Tây, tiêu thụ một khối lượng nước lớn. Nước phục vụ cho sản xuất chủ yếu là nước giếng khoan và một phần là giếng đào, nhiều hộ sản xuất sử dụng nước không qua xử lý sơ bộ. Đôi khi nước sản xuất còn được lấy từ ao làng, không đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Nhu cầu sử dụng nước rất lớn: nước cấp cho công đoạn rửa củ 15%, lọc tách bã 50%, rửa trắng bột 30% và 5% cho rửa cọ bể chứa, thiết bị. Định mức nước thải cho 1 tấn sản phẩm khoảng 22 m3. Ở quy mô sản xuất công nghiệp, các công đoạn được cơ khí hoá và tự động hoá hầu như hoàn toàn. Do đó tận dụng được tối đa các nguyên vật liệu, điện năng… Lượng nước sử dụng cho sản xuất có thể tuần hoàn một phần ở công đoạn tách bột đưa lên làm nước rửa củ. Bảng I.1: So sánh định mức tiêu thụ nguyên, nhiên liệu, điện nước cho sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ bằng các thiết bị bán cơ giới và quy mô công nghiệp TT Nguyên, nhiên liệu và điện nước Đơn vị Định mức Sản xuất quy mô nhỏ Sản xuất quy mô công nghiệp 1 Sắn củ tươi tấn/tấn SP 2,13 3,5 ÷ 4,0 2 Nước m3/tấn SP 22 20 3 Điện kWh/tấn SP 13,4 120 Các số liệu (Bảng I.1) trên cho thấy công nghệ sản xuất tinh bột sắn quy mô nhỏ bằng các thiết bị bán cơ giới tại các Làng nghề tiêu thụ lượng nước lớn hơn so với quy mô sản xuất công nghiệp. 2. Các chất thải từ quá trình sản xuất tinh bột sắn Công nghệ chế biến tinh bột sắn, gây phát sinh các chất thải như: khí thải, chất thải rắn và đặc biệt là nước thải. Quá trình tách tinh bột ra khỏi củ sắn cần một lượng lớn nước thải. Phần lớn các nhà máy sản xuất tinh bột sắn nằm gần sông, hồ. Do đó sông, hồ dễ trở thành nơi để các nhà máy xả nước thải vào. Đây chính là mối nguy cơ đe doạ môi trường và chất lượng sống của dân cư quanh vùng. 2.1 Chất thải rắn [1] Chất thải rắn từ sản xuất tinh bột sắn bao gồm vỏ và bã của củ sắn, có lần đất cất. Bã sắn chứa chủ yếu là xơ (xenlulo) và một lượng nhỏ tinh bột. Vỏ lụa của sắn chứa chủ yếu là pectin, tinh bột và xơ. Có thể xác định khối lượng chất thải rắn sinh ra theo lượng nguyên liệu đầu vào theo cân bằng vật chất (Hình) Sắn củ 1 tấn (100%) Bột nghiền 0,95 tấn (95%) Vỏ, đất, cát xả ra 0,05 tấn (5%) Bã sắn 0,4 tấn (40%) Theo nước thải 0,05 tấn (5%) Tinh bột 0,5 tấn (50%) Hình I.5: Sơ đồ dòng vật chất trong sản xuất tinh bột sắn Định mức thải trung bình của 1 tấn sắn là: 0,4 tấn bã, 0,05 tấn vỏ và đất cát. Bảng I.2: Thành phần bã thải sản xuất tinh bột sắn [1] TT Thành phần Bã sắn 1 pH 6,67 2 Nước (%) 88,9 3 Chất khô (%) 11,1 4 Tinh bột (%) 0,62 5 ∑N (%) 0,013 6 ∑P (%) 0,026 Từ (bảng I.2) cho thấy đặc trưng bã thải sản xuất sắn chứa hàm lượng nước lớn (88,9%), đặc biệt vẫn còn một lượng tinh bột nhất định nên khi bị phân huỷ gây mùi xú uế. Nguồn thải này góp phần đáng kể làm ô nhiễm môi trường đất và trực tiếp gây ô nhiễm môi trường không khí cũng như ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước mặt, nước ngầm ở khu vực xung quanh các nhà máy sắn. 2.2 Nước thải. Trong quá trình sản xuất tinh bột sắn, nhu cầu sử dụng nước cho sản xuất lớn khoảng 20 m3/tấn sản phẩm nên cũng thải ra một lượng nước thải khá lớn. Nước thải chứa hàm lượng lớn các chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ hoà tan, bã (xơ) có kích thước nhỏ và tinh bột thất thoát. Ngoài ra còn chứa một lượng đường khử, nitrogen và phosphorus đáng kể. Nhiều vi vật cũng được tìm thấy ở các nhà máy sản xuất tinh bột sắn như vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và xạ khuẩn. Lượng vi khuẩn và nấm men được tìm thấy nhiều hơn trong nước thải ở những giai đoạn sau của quá trình sản xuất, trong khi nấm mốc và xạ khuẩn lại xuất hiện nhiều trong nước thải chính của nhà máy. Nguyên nhân là do sự có mặt của các chất xơ (cellulose) trong nước thải đã kích thích sự phát triển của các loài vi sinh vật này.[2] Một trong những điểm cần chú ý là nước thải từ các nhà máy chế biến tinh bột sắn có chứa hàm lượng cyanide cao. Cyanide là một hợp chất độc hại gây nhiều khó khăn trong xử lý nước thải. Nước thải trong sản xuất tinh bột sắn thường có pH thấp (pH = 3,0 ÷ 3,8) và được chia ra làm hai loại chủ yếu, đó là nước thải công đoạn rửa củ và nước thải ở công đoạn tách bột có hàm lượng COD = 9.936 ÷ 13.247 mg/l; BOD5 = 5000 ÷ 7500 mg/l . Lượng nước thải lớn và có độ ô nhiễm cao nếu không được xử lý triệt để sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường. II. Hiện trạng sản xuất và môi trường của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình 1. Hiện trạng công nghệ và thiết bị Qua tìm hiểu công nghệ chế biến tinh bột sắn trên thế giới, cũng như giá chào hàng của các hãng cung cấp thiết bị lớn của Đức, Thái Lan, Trung Quốc…Công ty TNHH thương mại và đầu tư Yên Bình đã quyết định chọn dây chuyền công nghệ chế biến tinh bột sắn của nhà máy Tam Hoa - Trung Quốc. Công nghệ này hoạt động dưới dạng tách phân rã và trích ly, ly tâm phun vận hành theo nguyên tắc liên tục, khép kín và tự động. Đây là công nghệ tiên tiến mà thế giới đang sử dụng. Phương pháp này tạo ra sản phẩm đạt chất lượng thương phẩm loại 1 trên thị trường trong nước và quốc tế. Đáng chú ý là công nghệ này tiêu tốn ít nhiên liệu và năng lượng, cho sản phẩm có đủ sức cạnh tranh trên thị trường cả về chất lượng và giá cả. Sơ đồ quy trình công nghệ: Tách tạp chất, bóc vỏ Rửa sạch Chất thải rắn Nước thải Máy nghiền búa Băng chuyển ép vít xoắn Chiết tách tinh bột Lắng sơ bộ Trích ly, ly tâm Sấy nhanh Làm nguội Nước thải Bã sắn Rây mịn, Đóng bao Sắn củ tươi Sản phẩm Nước Nước tuần hoàn Khí nóng Nước thải Nước Hình II.1: Quy trình công nghệ chế biến tinh bột sắn của nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất tinh bột sắn Các công đoạn trong dây chuyền công nghệ sản xuất tinh bột sắn gồm: + Nạp liệu, bóc vỏ, rửa sạch Nguyên liệu củ sắn tươi sau thu hoạch tối đa trong vòng 3 ngày (72h), phải được đưa vào sản xuất chế biến. Củ được đưa lên băng chuyền, vào phễu nạp liệu có hệ thống sàng rung, nhằm loại bỏ đất cát, cặn bã và các tạp chất khác. Sau đó củ được băng chuyền chuyển đến thiết bị bóc vỏ, bóc vỏ xong củ được đưa đến thiết bị rửa sạch trước khi chuyển sang công đoạn 2. + Thiết bị nghiền Củ sau khi rửa sạch được băng chuyền chuyển sang hệ thống sàng lọc để loại bỏ tạp chất lần cuối, và sau đó được chuyển đến thiết bị nghiền. Ở đây nước sạch được bơm vào và khuấy trộn để tạo thành một hỗn hợp (Bã - bột - nước) sau đó chuyển sang công đoạn 3. + Tách chiết suất sữa bột và bã Hỗn hợp bã - bột - nước sau khi trộn đều được bơm vào hệ thống thiết bị chiết tách gồm: + Thiết bị chiết tách sơ bộ giai đoạn đầu, nhằm chiết tách sữa bột và bột sữa. + Bã sắn sau khi chiết tách ở giai đoạn đầu xong, được hoà trộn với nước và được bơm lên thiết bị chiết – tách giai đoạn 2, nhằm thu hồi thêm phần tinh bột còn lại trong bã. + Bã thu hồi từ giai đoạn 2 lại được hoà trộn với nước một lần nữa. Sau đó bơm đến thiết bị chiết tách kiệt cuối cùng, nhằm tận dụng lượng bột còn sót lại trong bã, chuyển đến băng chuyền ép xoắn vít và thiết bị ép bã nhão nhằm loại bỏ nước. Bã chuyển đến thiết bị ép lọc, vắt nước lần cuối nhờ băng chuyền xích tải ra ngoài.(Nơi tiếp nhận bã). Sữa bột thu hồi từ các giai đoạn chiết tách trên, được chuyển đến các bồn nhỏ để hoà trộn với nước. Sau đó được bơm đến thiết bị chiết – tinh, nhằm loại bỏ các cặn bã nhỏ, thu hồi loại sữa đồng nhất. Sữa bột đồng nhất này được chuyển đến bồn chứa lớn, hoà trộn với nước tạo thành dung dịch sữa bột. + Trích ly và ly tâm rút nước Dung dịch sữa bột được bơm vào thiết bị trích ly giai đoạn một, để trích ly thu hồi tinh bột bước một. Tinh bột này được hoà trộn với nước tạo thành dung dịch sữa bột và được bơm đến thiết bị triết tách cuối. Dùng vải lưới mịn để tinh lọc và được bơm đến thiết bị trích ly giai đoạn hai, để thu hồi sữa bột tinh cuối cùng đạt được chất lượng như mong muốn. Sữa bột tinh này tiếp tục được hoà trộn với nước và bơm vào thiết bị trích ly, ly tâm phun rút nước nhằm trích ly nước và thu hồi tinh bột nhão có hàm lượng nước chứa trong đó khoảng 38%. + Sấy và đóng gói Tinh bột nhão được băng chuyền chuyển đến thiết bị làm tơi, sau đó được đưa vào bunke phân phối, có tác dụng cung cấp bột vào hệ thống ống sấy nhanh bằng khí nóng. Khí nóng được cung cấp từ hệ thống gia nhiệt dạng ống để sấy khô bột , không khí nóng tiếp tục đẩy bột khô vào hệ thống làm mát, để hạ nhiệt độ bột. Bột khô được đưa vào bồn tồn trữ. Ở đây tinh bột tiếp tục được làm nguội một lần nữa, rồi đưa vào thiết bị sàng và đóng gói theo định lượng yêu cầu. - Hiện trạng thiết bị Toàn bộ các máy móc, thiết bị của nhà máy đều được đầu tư mua mới. Các thiết bị trong dây chuyền công nghệ đều có tính năng tốt, chất lượng phù hợp với yêu cầu công nghệ nhằm tạo ra sản phẩm tinh bột sắn có chất lượng cao Hơn nữa máy móc thiết bị của Nhà máy Tam Hoa - Trung Quốc lại phù hợp với điều kiện sản xuất của nước ta, phụ tùng thay thế có sẵn ở Châu Á. 2. Hiện trạng chất thải từ sản xuất của Nhà máy Các chất thải từ sản xuất tinh bột a. Chất thải rắn Chất thải rắn của nhà máy phát sinh chủ yếu từ các nguồn: - Bã sắn, vỏ sắn, xỉ than đốt lò - Bùn từ các bể lắng trong quá trình xử lý nước thải Nhà máy có công suất 160 tấn SP/ngày tương ứng với khoảng 640 tấn sắn nguyên liệu/ngày. Lượng chất thải rắn từ sản xuất bao gồm (bã sắn và vỏ sắn) ước tính khoảng: 288 tấn/ngày (tính theo Bảng) b. Khí thải Các khí độc hại như CO, H2S, SO2, CO2… phát sinh chủ yếu từ lò đốt nhiên liệu cấp nhiệt cho quá trình sấy. Ngoài ra khí ô nhiễm còn phát sinh từ các hợp chất hữu cơ trong bã sắn hoặc nước thải bị phân huỷ. c. Nước thải Nước thải sản xuất của Nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình có lưu lưọng khá lớn. Với công suất 160 tấn SP/ngày thì tổng lưu lượng nước thải của nhà máy khoảng 3200 m3/ngày. Nước thải được sinh ra từ hai công đoạn: rửa củ và tách bột, có độ pH thấp (pH = 3,15 ÷ 3,30), hàm lượng COD = 9.936 ÷ 13.247 mg/l, SS = 7240 ÷ 7472 mg/l. BảngII.1 : Định mức nước trong sản xuất tinh bột (tính cho 1 tấn nguyên liệu sắn củ tươi) Mục đích sử dụng Lượng (m3) Tỷ lệ (%) Rửa củ 1,25 23 Tách bột 4 72,5 Rửa thiết bị 0,25 4,5 Tổng 5,5 100 Nước sử dụng cho công đoạn tinh chế bột (tách bã) chiếm khối lượng lớn (từ 60 ÷ 75%). Nước thải từ công đoạn này cũng là nước thải có độ ô nhiễm cao nhất. 3. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải nhà máy đang sử dụng Ngay từ những ngày đầu mới thành lập Nhà máy. Công ty TNHH thương mại và đầu tư Yên Bình đã đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải với tổng trị giá 3.465.490.000 VND do Viện Vật Lý và Điện Tử trực thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam thiết kế và thi công. Với công nghệ sản xuất tinh bột sắn của Trung Quốc Nước thải phát sinh chủ yếu ở hai công đoạn sau: rửa củ và công đoạn tách bột (tách mủ), với tổng lượng nước thải là từ 3.200 m3/ ngày. Lượng nước thải chia làm hai dòng chủ yếu: + Nước rửa củ ( chiếm 60% ~ 90 m3/h ). Với hàm lượng COD khoảng 10.000 ÷ 15.000 mg/l. + Nước tách bột (tách mủ) (chiếm 40% ~ 60 m3/h). với hàm lượng COD là 10.000 ÷ 14.000 mg/l. Sở dĩ nước thải rửa củ có hàm lượng COD cao như vậy là do có tuần hoàn một phần nước tách bột để rửa củ. Hệ thống xử lý nước thải mà Viện Vật Lý Điện Tử thiết kế và xây dựng Khi đi vào hoạt động, nước ra khỏi hệ thống xử lý vẫn không đạt tiêu chuẩn thải ra môi trường. Nhà máy đã quyết định không vận hành hệ thống xử lý này nữa, do chi phí vận hành tốn kém, mà chỉ sử dụng một số công đoạn trong hệ thống xử lý. Sơ đồ công nghệ hiện hành Hồ sinh học II Hồ sinh học I Bể yếm khí Nước thải tách bột Polime Bể hiếu khí Thải ra suối Nước thải rửa củ 1 3 4 2 Bể keo tụ Hình II.2: Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải hiện hành của nhà máy Mô tả công nghệ Nước thải của công đoạn tách bột được chảy thẳng vào ABR (Anaerobic Baffled Reactor), bể yếm khí dựa trên nguyên lý dòng chảy ngược qua nhiều ngăn. Nước ra khỏi bể này được trộn với nước thải rửa củ. Dòng nước hỗn hợp này được bổ xung polime (C303 kết hợp với N208), và được lắng tách cặn keo tụ trong bể lắng xoáy. Sau đó được chảy vào bể xử lý hiếu khí tiếp theo là 2 hồ sinh học và thải ra môi trường.(Hình II.2) Kết quả phân tích mẫu nước thải sau khi qua hệ thống xử lý của Nhà máy: Do nước thải có độ ô nhiễm rất cao; COD = 9.200 mg/l; BOD5 = 7000 mg/l; SS = 4040 mg/l, Nước sau xử lý không đạt tiêu chuẩn cột B TCVN 5945-1995, CODra= 8188 mg/l gấp 81,88 lần TCCP, BOD5 = 6.500 mg/l gấp 130 lần TCCP (Bảng II.2) Bảng II.2: Đặc trưng nước thải trước và sau hệ thống xử lý của Nhà máy (Mẫu lấy ngày 11.03.2006) TT Chỉ tiêu Đơn vị M1 M2 TCVN 5945 – 1995 Cột B 1 pH 3,17 3,14 5,5 - 9 2 COD mg/l 9.200 8.188 100 3 BOD5 mg/l 7.000 6.500 50 4 TS mg/l 6.586 1.910 - 5 SS mg/l 4.040 498 100 6 ∑N mg/l 52,395 45,65 60 7 ∑P mg/l 12,27 10,12 6 Ghi chú: - M1: Mẫu nước thải rửa củ trộn với nước thải tách bột đã qua bể kị khí. - M2 : Mẫu nước thải đã qua hệ thống xử lý của Nhà máy Các số liệu trên cho thấy hệ thông xử lý nước thải của Nhà máy hoạt động hoàn toàn không hiệu quả. Các chỉ tiêu thải ra môi trường đều cao hơn TCCP, gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng. III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận 1. Kết quả khảo sát chất lượng nước thải của Nhà máy sản xuất tinh bột sắn Yên Bình Với công nghệ sản xuất tinh bột sắn của Trung Quốc, nước thải phát sinh ở hai công đoạn chính: rửa củ và tách bột.Cả hai dòng thải này đều có pH thấp (pH = 3,15 ÷ 3,30), độ ô nhiễm rất cao COD = 9.936 ÷ 13.247mg/l; BOD5 = 5.000 ÷ 7.500 mg/l. được biểu thị trên bảng số liệu (Bảng 3.1) sau: Bảng III.1 ._.